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LTE引入后多模多频段终端实现面临的挑战与思考

2012年02月24日 ?? 收藏0
针对LTE引入后多模多频段选择对终端产品体积、成本、性能等方面所带来的挑战进行了深入分析和研究,并给出了现阶段解决上述挑战的射频芯片和射频前端参考设计架构。

1 引言

LTE作为3G后续演进技术以其高数据速率、低时延、灵活的带宽配置等独特技术优势,被业界公认为是下一代移动通信的演进方向。据全球移动设备供应商协会(Global Mobile Suppliers Association,GSA)发布的关于LTE演进的最新报告显示,截至2011年5月,全球已有80个国家和地区的208家运营商正在对LTE进行投资,其中已有20个商用网络交付使用,到2012年底预计至少将有81个网络提供LTE商用服务。但是,LTE毕竟是一种新兴技术,其网络部署是个逐步推进的过程,这意味着在未来相当长的一段时期内全球运营商都将面临LTE网络与现有多网并存这一共性问题。因此,为满足LTE引入后业务的连续性以及国际漫游需求,多模多频段终端将是市场过渡阶段一种必然选择。

本文结合LTE引入后的多模多频段需求,深入分析了多模多频段终端在产品实现上所面临的性能、体积、成本等一系列挑战,力求通过解决射频实现方面的技术难点来提升多模多频段终端产品的市场竞争力。

2 多模多频段需求分析

对于运营商而言,LTE引入后不但要求其终端在原有多模的基础上增加支持LTE模式及相应的工作频段,还要增加可以确保用户实现国际漫游的工作频段。不同于2G/3G时代,目前全球分配的LTE频谱众多且相对离散,为更好地支持国际漫游,终端需要支持较多的频段。以中国移动为例,TD-LTE引入后,为满足自身的运营需求,终端至少需要支持TD-LTE,TD-SCDMA,GSM三种模式和八个频段来确保业务的连续性,具体参见表1。为提升用户的国际漫游体验,终端还要支持FDD LTE模式,结合全球FDD LTE部署现状,目前NGMN建议终端至少需支持Band1/7/17(或13)3个频段才能实现通过FDD LTE漫游到日本、欧洲、美国的部分地区,而且随着FDD LTE在全球部署规模的逐步扩大,终端还要增加新的FDD LTE频段才能实现全球漫游。考虑到WCDMA的全球部署范围广、成熟度高且漫游能力强,为提升终端的国际漫游能力,还将鼓励终端支持WCDMA模式及相应的工作频段。表1给出了全球各制式主流部署频段。

表1  各制式主流部署频段
表1 各制式主流部署频段

3 多模多频段终端实现所面临的挑战

无线通信模块由芯片平台、射频前端和天线3大部分构成。图1为终端无线通信模块的通用架构图。其中,芯片平台包括基带芯片、射频芯片以及电源管理芯片等,射频前端包括SAW(Surface Acoustic Wave,声表面波)滤波器、双工器(Duplexer)、低通滤波器(Low Pass Filter,LPF)、功放(Power Amplifier)、开关(Switch)等器件。基带芯片负责物理层算法及高层协议的处理,涉及多模互操作实现;射频芯片负责射频信号和基带信号之间的相互转换;SAW滤波器负责TDD系统接收通道的射频信号滤波,双工器负责FDD系统的双工切换以及接收/发送通道的射频信号滤波;功放负责发射通道的射频信号放大;开关负责接收通道和发射通道之间的相互转换;天线负责射频信号和电磁信号之间的互相转换。

图1 终端无线通信模块通用架构图
图1 终端无线通信模块通用架构图

终端支持多模多频段与基带芯片、射频芯片、射频前端、天线均有关。多模互操作实现主要影响基带芯片,同时模式的增加对射频芯片和功放也会产生影响;多频段实现主要依赖于射频芯片、射频前端和天线。下面就多模多频段对终端产品实现各部分产生的影响进行详细阐述。

3.1 基带芯片

终端支持多模关键在于基带芯片。通常,模式增加对基带芯片成本略有提升,但是频段增加对基带芯片的面积和成本几乎无影响,仅需要进行软件升级。

由于TD-LTE和FDD LTE在标准协议层面存在约10%的差异(差异来自双工方式,主要在物理层),TD-LTE和FDD LTE共基带芯片没有技术门槛和难度。目前,所有LTE芯片厂家都已经或将支持TD-LTE与FDD LTE共基带芯片,只不过不同厂家的市场定位不同,同时针对标准协议的芯片实现架构存在差异,所以实现TD-LTE和FDD LTE双模融合的过程和进度有所区别。

目前,基带芯片厂商支持多模的主要挑战在于对TD-SCDMA模式的支持。与TD-SCDMA芯片产业支持力度相比,TD-LTE芯片产业链更加壮大,包括传统的TD-SCDMA芯片厂商、传统的FDD LTE芯片厂商、传统的WiMAX厂商以及国内新兴的芯片厂商。但是,具备TD-SCDMA研发经验的厂商在整个TD-LTE芯片产业链中占比有限。考虑到基带芯片的成本对终端整个无线通信模块成本影响最大,为提升中国移动TD-LTE/TD-SCDMA/GSM多模终端产品的市场竞争力,后续应加快整合TD-LTE和TD-SCDMA产业的优势资源,推动更多的TD-LTE芯片厂家尽快推出含TD-SCDMA多模基带芯片产品,扩大产业规模,降低基带芯片成本。

3.2 射频芯片

新的模式和频段的引入对射频芯片均会产生影响。众所周知,射频芯片架构包括接收通道和发射通道两大部分。对于现有的GSM和TD-SCDMA模式而言,终端增加支持一个频段,则其射频芯片相应地增加一条接收通道,但是否需要新增一条发射通道则视新增频段与原有频段间隔关系而定。对于具有接收分集的移动通信系统而言,其射频接收通道的数量是射频发射通道数量的两倍。这意味着终端支持的LTE频段数量越多,则其射频芯片接收通道数量将会显著增加。例如,若新增M个GSM或TD-SCDMA模式的频段,则射频芯片接收通道数量会增加M条;若新增M个TD-LTE或FDD LTE模式的频段,则射频芯片接收通道数量会增加2M条。LTE频谱相对于2G/3G较为零散,为通过FDD LTE实现国际漫游,终端需支持较多的频段,这将导致射频芯片面临成本和体积增加的挑战。

为减小芯片面积、降低芯片成本,可以在射频芯片的一个接收通道支持相邻的多个频段和多种模式。当终端需要支持这一个接收通道包含的多个频段时,需要在射频前端增加开关器件来适配多个频段对应的接收SAW滤波器或双工器,这将导致射频前端的体积和成本提升,同时开关的引入还会降低接收通道的射频性能。因此,如何平衡射频芯片和射频前端在体积、成本上的矛盾,将关系到整个终端的体积和成本。

此外,单射频芯片支持TD-LTE和FDD LTE不存在技术门槛,众多厂家已有相应产品问世。与基带芯片略有不同的是,在多模射频芯片增加对TD-SCDMA的支持难度相对较低。


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射频前端? FDD? 天线?

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